DE19639436A1

DE19639436A1 - Tintenstrahlkopf und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE19639436A1
Application number: DE19639436A
Authority: DE
Inventors: Shingo Abe; Tetsuya Inui; Hirotsugu Matoba; Susumu Hirata; Masaharu Kimura; Yorishige Ishii; Hajime Horinaka; Hiroshi Onda
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: JPH0985946A; DE19639436C2; US5988799A

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahlkopf zum Ausführen eines Aufzeich nungsvorgangs durch Ausüben von Druck auf in einen Behälter eingefüllte Tinte, damit die Tinte aus dem Behälter ausgestoßen und versprüht werden kann, und sie betrifft auch ein Herstellverfahren für einen solchen Kopf.

Herkömmlicherweise ist ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren bekannt, bei dem ein Aufzeichnungsvorgang dadurch ausgeführt werden kann, daß eine Aufzeichnungsflüssigkeit ausgestoßen und versprüht wird. Dieses Tinten strahl-Aufzeichnungsverfahren weist mehrere Vorteile auf: Es kann Ausdru cken mit relativ hoher Geschwindigkeit bei geringem Geräuschpegel ausge führt werden, das Druckgerät kann miniaturisiert werden, Farbaufzeichnungs prozesse werden leicht ausgeführt usw.

Betreffend Tintenstrahlköpfe, wie sie beim Tintenstrahl-Aufzeichnungsver fahren verwendet werden, wurden herkömmlicherweise verschiedene Anordnungen vorgeschlagen. Zum Beispiel verfügt ein derartiger Tintenstrahlkopf über eine Anordnung, bei der Druck indirekt über eine Membran dadurch ausgeübt wird, daß ein piezoelektrisches Element einer in der Ebene liegenden Verformung unterworfen wird, was zu Tintenausstoßung führt.

Bei der vorstehend angegebenen herkömmlichen Anordnung bestehen jedoch die folgenden Probleme. Bei diesem Tintenstrahlkopf wird das piezoelektrische Element einer in der Ebene liegenden Verformung unterzogen, um ausreichend Druck zum Ausstoßen von Tinte zu erzielen. In diesem Fall muß, um Tinte auszustoßen, das Ausmaß der Verformung des piezoelektrischen Elements er höht werden, z. B. dadurch, daß piezoelektrische Materialien aufeinander gestapelt werden oder daß ein Bimorpher piezoelektrischer Aktor mit ver gleichsweise großen Abmessungen verwendet wird. Eines der sich ergebenden Probleme besteht darin, daß ein piezoelektrisches Element und eine Druck kammer erforderlich sind, die viel größer als die Düsenschrittweite sind, was den Tintenstrahlkopf voluminös macht und es auch erschwert, einen Kopf mit mehreren Düsen auszubilden, bei dem Düsen integriert sind. Das andere Problem besteht darin, daß es schwierig ist, da der Druck dadurch indirekt auf die Tinte ausgeübt wird, daß die Membran unter Verwendung des piezo elektrischen Elements in Schwingung versetzt wird, die vom piezoelektri schen Element erzeugte mechanische Energie wirkungsvoll in Ausstoßenergie für Tintentröpfchen umzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahlkopf zu schaf fen, der eine große Tintenausstoßkraft und eine große Ausstoßgeschwindig keit liefert, während er kompakte Größe aufweist. Außerdem soll ein Verfah ren zum Herstellen eines derartigen Tintenstrahlkopfs geschaffen werden.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Tintenstrahlkopfs durch die Lehre von Anspruch 1 und hinsichtlich des Herstellverfahrens für einen solchen durch die Lehre von Anspruch 9 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Tintenstrahlkopf unterteilt die aus einem piezoelek trischen Material bestehende Aufbaukomponente das Innere des Behälters in fluiddichtem Zustand. Daher wird, wenn die Aufbaukomponente aufgrund einer durch die Spannungsanlegeeinrichtung angelegten Spannung verformt wird, die innerhalb des Behälters enthaltene Tinte direkt durch die Aufbaukomponente unter Druck gesetzt. So ist es, im Unterschied im Fall bei herkömmlichen Anordnungen, möglich, Tinte einfach auszustoßen, ohne aufgestapelte piezo elektrische Materialien oder einen bimorphen piezoelektrischen Aktor zu verwenden, die vergleichsweise große Abmessungen aufweisen. Daher ermög licht es die erfindungsgemäße Anordnung, Tinte sicher auszustoßen, während kleine Abmessungen eines Tintenstrahlkopfs aufrechterhalten bleiben. Ferner ist es möglich, da die Tinte innerhalb des Behälters durch die Aufbaukompo nente direkt unter Druck gesetzt wird, die durch die Aufbaukomponente er zeugte mechanische Energie wirkungsvoll in Ausstoßenergie für Tintentröpf chen umzusetzen. Darüber hinaus ist verhindert, da die Aufbaukomponente das Innere des Behälters fluiddicht unterteilt, daß im Behälter enthaltene Tinte in andere Räume ausleckt. Daher ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung, eine größere Tintenausstoßkraft und eine größere Tintenausstoß geschwindigkeit zu erzielen, wenn die genannte Aufbaukomponente verformt wird.

Ferner kann, wenn die genannte Aufbaukomponente so konzipiert ist, daß sie mehrere Schichten aufweist und Elektroden, die Spannungen an es anlegen, so auf jeder Schicht angebracht sind, daß sie diese einbetten, der Abstand zwischen den Elektroden in jeder Schicht verkürzt werden. Demgemäß ist es selbst dann, wenn die an jede Schicht angelegte Spannung erniedrigt wird, möglich, die Aufbaukomponente ausreichend zu verformen und den Energieverb rauch entsprechend zu verringern.

Insbesondere dann, wenn die genannte Aufbaukomponente so konzipiert ist, daß sie elliptische Form aufweist, ist verhindert, daß die auf es bei einer Verformung wirkende Belastung in einem speziellen Bereich konzen triert wird. Daher ermöglicht es diese Anordnung, Ermüdungen der Aufbaukom ponente zu verringern und demgemäß einen Tintenstrahlkopf mit langer Le bensdauer zu schaffen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Aufbaukomponente als Film auf einem Substrat hergestellt. Dann wird eine Temperaturänderung vorgenommen, bis die Zugspannungen in der Aufbaukomponente die Elastizitätsgrenze über schritten haben. Wenn in diesem Fall das Substrat in einem Zustand geätzt wird, in dem in der Aufbaukomponente interne Druckspannungen bestehen, wird die Aufbaukomponente so verformt, daß die internen Druckspannungen aufge hoben sind. So ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, auf einfache Weise eine Aufbaukomponente herzustellen, die vorab verformt wurde.

Für ein vollständigeres Verständnis der Art und der Vorteile der Erfindung ist auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beige fügten Zeichnungen Bezug zu nehmen.

Fig. 1(a) ist eine Draufsicht, die schematisch den Aufbau eines erfindungs gemäßen Tintenstrahlkopfs zeigt;

Fig. 1(b) ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine aufgewölbte Aufbaukomponente noch keiner Aufwölbverformung im Tintenstrahlkopf unterzogen wurde; und

Fig. 1(c) ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem die sich aufwölbende Aufbaukomponente im Tintenstrahlkopf einer Aufwölbverformung zur Seite der Druckkammer hin unterworfen wurde.

Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Tintenstrahlkopfs mit Mehrkopfstruktur.

Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die detailliert den Aufbau eines kastenförmigen Körpers im Tintenstrahlkopf zeigt.

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Tintenstrahlkopf.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in Fig. 4.

Fig. 6(a) bis 6(g) sind Schnittansichten, die Herstellprozesse für den kastenförmigen Körper von Fig. 3 veranschaulichen.

Fig. 7(a) bis 7(c) sowie wie Fig. 8(a) bis 8(c) sind Ansichten entsprechend denen der Fig. 1(a) bis 1(c), jedoch für zwei andere Konstruktionen erfin dungsgemäßer Tintenstrahlköpfe;

Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines Substrats und einer auf diesem ausge bildeten sich aufwölbenden Aufbaukomponente.

Fig. 10 ist ein Kurvenbild, das die Mechanische-Spannungen-Verformungs-Hysteresekurve einer sich aufwölbenden Aufbaukomponente zeigt, die einer Wärmebehandlung unterzogen wurde.

Fig. 11 ist eine Schnittansicht einer sich aufwölbenden Aufbaukomponente, die einer Aufwölbungsverformung unterworfen wurde.

Fig. 12(a) bis 12(c), Fig. 13(a) bis 13(c) sowie Fig. 14(a) bis 14(c) sind Ansichten entsprechend denen der Fig. 1(a) bis 1(c), jedoch für drei weite re Konstruktionen erfindungsgemäßer Tintenstrahlköpfe, wobei beim Tinten strahlkopf gemäß Fig. 12 die sich aufwölbende Aufbaukomponente aus aufein andergestapelten Schichten besteht, sie beim Kopf gemäß Fig. 13 elliptisch ist und sie beim Kopf gemäß Fig. 14 rund ist.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1

Die folgende Beschreibung erörtert unter Bezugnahme auf die Fig. 1(a) bis 1(c) ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1(a) ist eine Draufsicht auf einen Tintenstrahlkopf 10 gemäß dem vor liegenden Ausführungsbeispiel. Fig. 1(b) und 1(c) sind Schnittansichten des Tintenstrahlkopfs 10. Dieser Tintenstrahlkopf 10 besteht aus einer sich aufwölbenden Aufbaukomponente 1 (im folgenden kurz als Aufwölbungselement bezeichnet), einem Behälter 4, Elektroden 9a und 9b zum Anlegen einer Span nung an das Aufwölbungselement 1, Befestigungselementen 3, die zum Befesti gen des Aufwölbungselements 1 am Behälter 4 verwendet werden, einem Schalt er 8 und einer externen Spannungsquelle 9 (Spannungsanlegeeinrichtung).

Der Behälter 4 besteht aus einem kastenförmigen Körper mit einem Tintenein laß 5a und einer Düsenplatte 7, die die Oberseite des kastenförmigen Kör pers 5 abdeckt und eine Tintenausstoßöffnung 7a aufweist. Die Tintenaus stoßöffnung 7a verfügt über sich verjüngende Form, d. h., daß sie zu ihrer Spitze hin nach außen schmäler wird.

Das Aufwölbungselement 1 besteht aus einem piezoelektrischen Material wie z. B. PZT (Feststofflösung aus PbZnO₃ und PbTiO₃). Ferner hat das Aufwöl bungselement 1 die Form einer Rechteckplatte, und sie unterteilt das Innere des Behälters 4 in fluiddichtem Zustand in einen unteren Raum 6b und eine Druckkammer 6a. Darüber hinaus sind, was die Randkanten derjenigen Fläche des Aufwölbungselements 1 betrifft, die der Düsenplatte 7 innerhalb des Behälters 4 gegenübersteht, mindestens zwei entgegengesetzte Enden in einer Richtung an den Befestigungselementen 3 befestigt. Demgemäß wird das Auf wölbungselement 1 auf das Anlegen und Wegnehmen einer Spannung an Elektro den 9a und 9b, die so angebracht sind, daß sie das Aufwölbungselement 1 einbetten, Aufwölbungsverformungen unterzogen. Beim vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel wird, wenn eine Spannung von der Spannungsquelle 9 angelegt wird, das Aufwölbungselement 1 einer Aufwölbungsverformung zur Seite der Druckkammer 6a hin unterworfen, so daß Tintentröpfchen 100a aus der Tin tenausstoßöffnung 7a ausgestoßen werden. Hierbei werden das Anlegen und Wegnehmen der Spannung durch Ein- und Ausschaltvorgänge des Schalters 8 ausgeführt, wobei die Spannungsversorgung durch die Spannungsquelle 9 er folgt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1(a) bis 1(c) erfolgt nun eine Erläuterung zum Betrieb des Tintenstrahlkopfs des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Als erstes wird Tinte 100 durch den Tinteneinlaß 5a in die Druckkammer 6a eingefüllt. Als nächstes wird der Schalter 8 so eingeschaltet, daß von der Spannungsquelle 9 über die Elektroden 9a und 9b an den jeweiligen Enden des Aufwölbungselements 1 in der Polarisationsrichtung (+ an der Oberseite und - an der Unterseite) des Aufwölbungselements 1 eine umgekehrte Vorspannung angelegt wird. Dann versucht sich das Aufwölbungselement 1 aufgrund des piezoelektrischen Effekts innerhalb seiner Ebenen auszudehnen. Da jedoch mindestens zwei entgegengesetzte Enden in einer Richtung unter den Randkan ten des Aufwölbungselements 1 an den Befestigungselementen 3 befestigt sind, sammeln sich innerhalb des Aufwölbungselements 1 Druckkräfte an. Wenn die Druckkraft die Aufwölbungsbelastung des Aufwölbungselements 1, die durch das Material, die Form und die Abmessungen desselben bestimmt ist, überschreitet, wird das Aufwölbungselement einer großen Aufwölbungsverfor mung rechtwinklig zu seiner Fläche nach oben unterworfen, d. h. zur Seite der Druckkammer 6a, wie es in Fig. 1(c) dargestellt ist. Die innerhalb der fluiddicht abgetrennten Kammer 6a enthaltene Tinte wird durch die Aufwöl bungsverformung des Aufwölbungselements 1 unter Druck gesetzt. Dadurch wird die Tinte 100 als Tintentröpfchen 100a durch die Tintenausstoßöffnung 7a der Düsenplatte 7 ausgestoßen.

Wenn der Schalter 8 abgeschaltet wird, um das Anlegen der Spannung zu been den, zieht sich das Aufwölbungselement 1 zusammen und kehrt in seinen Ur sprungszustand zurück, wie es in Fig. 1(b) dargestellt ist. Derartige wie derholte Ein- und Ausschaltvorgänge des Schalters 8 ermöglichen es, Tinten tröpfchen 100a auszustoßen, wodurch ein Ausdrucken auf einen Aufzeichnungs träger möglich ist.

Bei dieser Anordnung erzeugt das Aufwölbungselement 1, dessen Randkanten teilweise befestigt sind, eine große Verformung in der aus der Ebene her ausgehenden Richtung, und zwar selbst dann, wenn die Verformung in Richtung der Ebene klein ist. Daher ist es möglich, Tintentröpfchen 100a selbst dann, wenn die Abmessungen des Tintenstrahlkopfs 10 klein sind, sicher auszustoßen. Darüber hinaus ist, da das Aufwölbungselement 1 auch die Funk tion hat, die Druckkammer 6a in abgedichtetem Zustand zu halten, verhin dert, daß die Tinte 100 in den unteren Raum 6b ausleckt. Daher liefert diese Anordnung eine große Tintenausstoßkraft und eine große Tintenausstoß geschwindigkeit, während die Kompaktheit der Vorrichtung aufrechterhalten bleibt. Ferner ist es möglich, da das Aufwölbungselement die Tinte 100 direkt unter Druck setzt, die durch das Aufwölbungselement 1 erzeugte me chanische Energie wirkungsvoll in Ausstoßenergie der Tintentröpfchen 100a umzusetzen. Ferner ist es möglich, da kein großes piezoelektrisches Mate rial, wie es bei herkömmlichen Anordnungen benötigt wurde, mehr erforder lich ist, einen mehrdüsigen Kopf mit integrierten Düsen einfach herzustel len.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Tintenstrahlkopf 10 veran schaulicht, der mit einem Aufwölbungselement 1 in Form einer Rechteckplatte versehen ist; jedoch soll die Form des Aufwölbungselements 1 nicht auf diese Form beschränkt sein.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 erörtert die folgende Beschreibung einen Tintenstrahlkopf 20, in dem Tintenstrahlköpfe 10 gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel 1 integriert sind. Fig. 2 ist eine perspektivische Explosi onsansicht des Tintenstrahlkopfs 20. Ferner ist Fig. 3 eine perspektivische Explosionsansicht, die detailliert den Aufbau eines kastenförmigen Körpers 15 zeigt. Ferner ist Fig. 4 eine Draufsicht auf den Tintenstrahlkopf 20 von Fig. 2, und Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in Fig. 4.

Wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, besteht der Tintenstrahlkopf 20 aus einem kastenförmigen Körper 15, der untere Räume im Behälter ausbildet, einem Abstandshalter 16, der mehrere Druckkammern (Tintenspeicherkammern) im oberen Teil des kastenförmigen Körpers 15 bildet, und einer Düsenplatte 17 mit mehreren Tintenausstoßöffnungen 17a, die einen oberen Teil des Be hälters bildet. So verfügt der Tintenstrahlkopf 20 über einen Mehrkopfauf bau.

Wie es in Fig. 3 veranschaulicht ist, besteht der kastenförmige Körper 15 aus einem Substrat 18, das einen wesentlichen Teil desselben bildet, und aus einem Aufwölbungselement 11, das über Befestigungselemente 13 an der Oberseite des Substrats 18 angeordnet ist. Ferner ist ein Paar Elektroden 19a und 19b so angebracht, daß sie das Aufwölbungselement 11 einbetten.

Der in Fig. 2 dargestellte Abstandshalter 16 besteht aus einer rostfreien Kupferplatte mit einer Dicke von z. B. 10 bis 50 µm. Hierbei sind vier Öffnungen 16a, die eine Druckkammer und einen Tinteneinlaß bilden, durch Stanzen hergestellt, und Trennwände 16b trennen die jeweiligen Öffnungen 16a voneinander. Die Randkanten des Aufwölbungselements 11 sind durch die Trennwände 16b und die Befestigungselemente 13 befestigt (siehe Fig. 3).

Die aus einem Glasmaterial mit einer Dicke von z. B. 0,2 mm bestehende Düsenplatte 17 verfügt über vier Tintenausstoßöffnungen 17a, von denen jede zur Oberseite hin verjüngt ist, d. h., daß jede Kegel- oder Trichterform aufweist, wie es in Fig. 5 veranschaulicht ist. Jede Tintenausstoßöffnung 17a wird durch Ätzen unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure herge stellt. Die Düsenplatte 17 wird mittels eines nichtleitenden Klebers über den Abstandshalter 16 mit dem kastenförmigen Körper 15 verbunden.

Das Substrat 18 besteht z. B. aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat mit vorgegebener Kristallfläche (100). Wie es in Fig 3 veranschaulicht ist, ist das Substrat 18 mit einem sich verjüngenden Lochbereich 18a versehen, der das Substrat 18 durchdringt. Das Aufwölbungselement 12 besteht aus einem piezoelektrischen Material wie PZT. Ferner bestehen die Elektroden 19a und 19b aus Platin (Pt) mit elektrischer Leitfähigkeit. Wie es in Fig. 4 veranschaulicht ist, ist die Elektrode 19a über einen Schalter mit dem positiven Anschluß jeder Spannungsquelle 19 verbunden, und die Elektrode 19b ist mit dem negativen Anschluß jeder Spannungsquelle 19 verbunden. Demgemäß wird das Anlegen und Wegnehmen von Spannung durch Ein- und Aus schaltvorgänge des Schalters 12 ausgeführt.

Da der Tintenstrahlkopf 20 auf dieselbe Weise wie der beim Ausführungsbei spiel 1 betrieben wird, wird hier die zugehörige Erläuterung weggelassen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6(a) bis 6(g) erörtert die folgende Beschrei bung Herstellprozesse für den im Tintenstrahlkopf 20 angebrachten kasten förmigen Körper 15.

Als erstes werden, wie es in Fig. 6(a) veranschaulicht ist, Siliziumo xid(SiO₂)-Schichten 14, von denen jede eine Dicke von 2 µm aufweist und 6 bis 8% Phosphor (P) enthält (nachfolgend als PSG(Phosphosilikatglas)- Schichten 14 bezeichnet) auf der Vorder- und Rückseite des Substrats 18, das aus einkristallinem Silizium mit vorbestimmter Kristallfläche (100) besteht, unter Verwendung eines LPCVD(chemische Dampfniederschlagung bei niedrigem Druck)-Apparats hergestellt.

Danach wird, wie es in Fig. 6(b) veranschaulicht ist, eine Elektrode 19a, die aus Pt mit einer Dicke von 0,2 µm besteht, als Film auf der Oberfläche der PSG-Schicht 14 hergestellt und einem Musterungsprozeß unterworfen. Anschließend wird, wie es in Fig. 6(c) veranschaulicht ist, das Aufwöl bungselement 11, das aus PZT mit einer Dicke von 3 µm besteht, als Film auf der Elektrode 19a hergestellt.

Danach wird, wie es in Fig. 6(d) veranschaulicht ist, eine Elektrode 19b, die aus Pt mit einer Dicke von 0,2 µm besteht, als Film auf der Oberfläche des Aufwölbungselements 11 hergestellt und einem Musterungsprozeß unter worfen. Anschließend wird, wie es in Fig. 6(e) veranschaulicht ist, die PSG-Schicht 14 an der Rückseite des Substrats 18 einem Musterungsprozeß unterworfen. Dann wird, wie es in Fig. 6(f) veranschaulicht ist, das Sili ziumsubstrat 18 einem anisotropen Ätzprozeß unter Verwendung der gemuster ten PSG-Schicht 14 als Maske unterworfen, um den das Substrat 18 durchdrin genden, sich verjüngenden Lochbereich 18a herzustellen.

Schließlich wird, wie es in Fig. 6(g) veranschaulicht ist, die PSG-Schicht 14 unter Verwendung des sich verjüngenden Lochbereichs 18a des geätzten Substrats 18 als Maske geätzt. So werden durch die verbleibenden PSG-Schichten 14 Befestigungselemente 13 gebildet, und es ist ein kastenförmig er Körper 15 mit gewünschtem Aufbau erhalten.

Bei dieser Anordnung werden der kastenförmige Körper 15, der Abstandshalter 16 und die Düsenplatte 17 einstückig ausgebildet, und gleichzeitig wird eine Anzahl von Köpfen, die individuell steuerbar sind, hergestellt; da durch ist es möglich, kompakte Köpfe mit geringen Kosten herzustellen. Darüber hinaus ermöglicht es eine derartige Mehrkopfanordnung, die Funktio nen des Tintenstrahlkopfs 20 zu verbessern.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zum Vereinfachen der Erläuterung eine Anordnung mit vier Köpfen veranschaulicht. Jedoch soll die Anzahl von Köpfen nicht auf diese Zahl, wie sie beim Tintenstrahlkopf 20 des vorlie genden Ausführungsbeispiels vorliegt, beschränkt sein, sondern sie kann bei erfindungsgemäßen Köpfen nach Wunsch festgelegt werden.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3

Bei den vorstehend angegebenen Ausführungsbeispielen 1 und 2 wird eine umgekehrte Vorspannung bezogen auf die Polarisationsrichtung des Aufwöl bungselements 1 oder 11 angelegt. Bei diesen Anordnungen wird die Polarisa tionsrichtung umgekehrt, wenn die angelegte Spannung zu hoch ist. Dann kann sich das Aufwölbungselement 1 oder 11 nicht in seiner Ebene ausdehnen, wodurch keine Tinte ausgestoßen werden kann. Nun erfolgt für das vorliegen de Ausführungsbeispiel eine Erläuterung für einen Tintenstrahlkopf 30, bei dem eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die Polarisationsrich tung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird, um Tinte auszustoßen. Zum Vereinfachen der Erläuterung sind diejenigen Elemente, die dieselben Funk tionen wie entsprechende bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 verwendete Elemente aufweisen, mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und hier wird eine zugehörige Beschreibung weggelassen.

Fig. 7(a) ist eine Draufsicht auf den Tintenstrahlkopf 30 des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Die Fig. 7(b) und 7(c) sind Schnittansichten des Tintenstrahlkopfs 30. Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel 1 dadurch, daß eine Vorspannung in Vorwärts richtung in bezug auf die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird und daß das Aufwölbungselement 1 beim Fehlen einer Spannung einer Aufwölbungsverformung zur Seite der Druckkammer 6a hin unterworfen ist. Dann wird das Aufwölbungselement 1 auf das Anlegen und Wegnehmen einer Spannung über die Elektroden 9a, 9b, die wieder so angebracht sind, daß sie das Aufwölbungselement 1 einbetten, in der Ebene liegenden Verformungen unterworfen. Die restliche Anordnung stimmt mit der beim Ausführungsbei spiel 1 überein.

Der Tintenstrahlkopf 30 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird wie folgt betrieben: Als erstes wird, wie es in Fig. 7(b) dargestellt ist, eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt (- an der Oberseite und + an der Untersei te), wozu der Schalter 8 eingeschaltet wird. In diesem Fall versucht sich das Aufwölbungselement 1 aufgrund des piezoelektrischen Effekts in der Ebene zusammenzuziehen, so daß es, da es zuvor einer Aufwölbungsverformung zur Seite der Druckkammer 6a hin unterworfen war, nun in einem Zustand gehalten wird, in dem es dieser Aufwölbungsverformung nicht mehr unter liegt, wie dies in Fig. 7(b) dargestellt ist.

Anschließend wird, wenn der Schalter 8 abgeschaltet wird, die Kontraktion des Aufwölbungselements innerhalb seiner Ebene aufgehoben, und es kehrt in seinen Ursprungszustand zurück. Anders gesagt, wird, wie es in Fig. 7(c) dargestellt ist, das Aufwölbungselement 1 einer großen Aufwölbungsverfor mung zur Seite der Druckkammer 6a hin unterworfen. Diese Aufwölbungsverfor mung setzt Tinte 100, die in fluiddichtem Zustand in der Druckkammer 6a enthalten ist, unter Druck. So wird die Tinte 100 in Form von Tintentröpf chen 100a aus der Tintenausstoßöffnung 7a der Düsenplatte 7 ausgestoßen.

Bei dieser Anordnung wird, da eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird, die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 selbst dann nicht umge kehrt, wenn eine vergleichsweise hohe Spannung an es angelegt wird. Dadurch ist es möglich, eine größere Spannung als dann anzulegen, wenn eine Vor spannung in Rückwärtsrichtung angelegt wird.

Ausführungsbeispiel 4

Wie beim vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiel 3 erfolgt eine Erläute rung über einen Tintenstrahlkopf 40, bei dem eine Vorspannung in Vorwärts richtung bezogen auf die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird, um Tinte auszustoßen. Um die Erläuterung zu vereinfachen, sind wiederum diejenigen Elemente, die dieselben Funktionen wie bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 verwendete Elemente aufweisen, mit desselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und eine zugehörige Beschreibung wird wegge lassen.

Fig. 8(a) ist eine Draufsicht auf den Tintenstrahlkopf 40 des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Ferner sind die Fig. 8(b) und 8(c) Schnittansichten des Tintenstrahlkopfs 40. Der Tintenstrahlkopf 40 des vorliegenden Ausfüh rungsbeispiels unterscheidet sich von dem des Ausführungsbeispiels 1 da durch, daß eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die Polarisa tionsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird und daß dieses Auf wölbungselement 1 bei fehlender Spannung einer Aufwölbungsverformung zu der der Druckkammer 6a entgegengesetzten Seite unterworfen ist. Wenn über die Elektroden 9a und 9b, die wieder so angebracht sind, daß sie das Aufwöl bungselement 1 einbetten, das Anlegen und Wegnehmen einer Spannung erfolgt, wird das Aufwölbungselement 1 Verformungen innerhalb seiner Ebene unterwor fen. Die restliche Anordnung stimmt mit der beim Ausführungsbeispiel 1 überein.

Der Tintenstrahlkopf 40 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird wie folgt betrieben: Als erstes ist, wie es in Fig. 8(b) dargestellt ist, das Aufwölbungselement 1 so konzipiert, daß es dann, wenn der Schalter 8 abge schaltet ist, einer Aufwölbungsverformung zur von der Druckkammer 6a abge wandten Seite hin unterworfen ist. Wenn danach der Schalter 8 eingeschaltet wird, zieht sich das Aufwölbungselement 1 in seiner Ebene zusammen, so daß es in einen Zustand gelangt, in dem keine Aufwölbungsverformung vorliegt, wie es in Fig. 8(c) dargestellt ist. Anders gesagt, wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die innerhalb der fluiddichten Druckkammer 6a enthalte ne Tinte durch die Positionsänderung des Aufwölbungselements 1 vom aufge wölben Zustand (verformter Zustand) in den nicht aufgewölbten Zustand (un verformter Zustand) unter Druck gesetzt. So wird die Tinte 100 in Form von Tintentröpfchen 100a aus der Tintenausstoßöffnung 7a der Düsenplatte 7 ausgestoßen.

Da bei dieser Anordnung eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird, wird die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 selbst dann nicht umge kehrt, wenn eine vergleichsweise hohe Spannung an es angelegt wird. Daher ist es möglich, eine größere Spannung als im Fall anzulegen, bei dem eine Vorspannung in Rückwärtsrichtung verwendet wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 11 erörtert die folgende Beschreibung ein Herstellverfahren für das vorstehend angegebene Aufwölbungselement, das sich bei fehlender Spannung im aufgewölbten Zustand befindet.

Als erstes wird, wie es in Fig. 9 veranschaulicht ist, ein Aufwölbungsele ment 41 mit der Dicke h1 als Film auf einem Substrat 42 mit der Dicke h2 hergestellt. In diesem Fall muß das Aufwölbungselement 41 wesentlich dün ner als das Substrat 42 sein. Anders gesagt, muß die Bedingung h1 « h2 erfüllt sein. Das heißt, daß angenommen wird, daß sich der lineare Expan sionskoeffizient α1 des Aufwölbungselements 41 vom linearen Expansionskoef fizienten α2 des Substrats 42 unterscheidet.

Wenn das Substrat 42 einer Wärmebehandlung unterworfen wird, erfährt das Aufwölbungselement 41 eine Variation entsprechend der Mechanische-Spannung-Verzerrungs-Hysteresekurve von Fig. 10 und gelangt in einen Zustand, in dem innere Druckspannungen erzeugt werden. Hierbei werden abhängig von den Größen der linearen Expansionskoeffizienten α1 und α2 des Aufwölbungsele ments 41 und des Substrats 42 zwei Wärmebehandlungsverfahren vorgeschlagen. Danach werden Herstellverfahren für das Aufwölbungselement 41 und zugehöri ge Prinzipien zugehörig zu den jeweiligen Wärmebehandlungsverfahren erör tert.

(1) Für diesen Fall sei angenommen, daß der lineare Expansionskoeffizient α1 des Aufwölbungselements 41 kleiner als der lineare Expansionskoeffizient α2 des Substrats 42 ist.

Unter dieser Bedingung wird die Temperatur erhöht, bis die im Aufwölbungs element 41 auftretenden Zugspannungen die Elastizitätsgrenzen überschrei ten, und dann wird die Temperatur auf die Raumtemperatur zurückgeführt. Dieses Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 10 im einzelnen erläu tert.

In einem Zustand vor dem Ausführen der Temperaturänderung befindet sich das Aufwölbungselement 41 hinsichtlich seiner Hysteresekurve auf einem Punkt O, d. h. in einem unverformten und spannungsfreien Zustand. Dann, wenn die Temperatur erhöht wird, dehnen sich sowohl das Substrat 42 als auch das Aufwölbungselement 41 aus. Da jedoch das Substrat 42 einen größeren linea ren Expansionskoeffizienten aufweist als das Aufwölbungselement 41, erfährt das letztere eine Zugbelastung vom Substrat 42, mit dem Ergebnis, daß es eine Zugverformung und Zugspannungen erfährt. Die Beziehung zwischen der Zugverformung und der Zugspannung ist durch eine praktisch gerade Linie bis zum Punkt A dargestellt. Wenn die Temperatur weiter erhöht wird, über schreitet die Zugspannung ihre Elastizitätsgrenze, und es ergibt sich ein gekrümmter Verlauf bis zu einem Punkt B, wie in Fig. 10 dargestellt. Wenn dann die Wärmezufuhr beendet wird, hört die Expansion des Substrats 42 auf, und es versucht in den unverformten Zustand zurückzukehren. In diesem Fall kehrt das Aufwölbungselement 41 zum unverformten Zustand zurück, wobei es einer geraden Linie ausgehend vom Punkt B parallel zur geraden Linie OA folgt; daher wird, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, eine interne Druck spannung σR ausgeübt.

(2) Für diesen Fall sei angenommen, daß der lineare Expansionskoeffizient α1 des Aufwölbungselements 41 größer als der lineare Expansionskoeffizient α2 des Substrats 42 ist. Unter diesen Bedingungen wird die Temperatur er niedrigt, bis die im Aufwölbungselement 41 auftretende Zugspannung die Elastizitätsgrenze überschreitet, und dann wird die Temperatur auf die Raumtemperatur zurückgeführt. Was Spannungen und Verformungen betrifft, wie in Fig. 10 dargestellt, kann dieselbe Erläuterung wie zuvor mit dem Unter schied erfolgen, daß das Erhöhen und Erniedrigen der Temperatur gegenein ander vertauscht sind.

Wenn das Substrat 42 geätzt wird, wie in Fig. 11 dargestellt, während nach dem Ausüben einer der beiden obenangegebenen Wärmebehandlungen noch interne Druckspannungen im Aufwölbungselement 41 existieren, versucht das Aufwöl bungselement 41, die internen Druckspannungen abzubauen, mit dem Ergebnis, daß es eine Aufwölbungsverformung erfährt, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. So ermöglichen es die vorstehend angegebenen Verfahren, auf einfache Weise ein Aufwölbungselement 41 herzustellen, das vorab einer Aufwölbungs verformung unterworfen wurde.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 5

Unter Bezugnahme auf die Fig. 12(a) bis 12(c) erörtert die folgende Be schreibung ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind diejenigen Elemente, die dieselben Funktionen wie bei den Ausführungsbei spielen 1 bis 4 verwendete Elemente aufweisen, mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und eine zugehörige Erläuterung wird weggelassen.

Fig. 12(a) ist eine Draufsicht auf einen Tintenstrahlkopf 50 des vorliegen den Ausführungsbeispiels. Die Fig. 12(b) und 12(c) sind Schnittansichten des Tintenstrahlkopfs 50. Ein beim Tintenstrahlkopf 50 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eingebautes Aufwölbungselement 1 besteht aus mehreren Schichten. Ein Paar Elektroden 9a und 9b ist so an jeder Schicht ange bracht, daß sie die Schicht einbetten; daher ist der Abstand zwischen den Elektroden 9a und 9b verkürzt. So wird das Aufwölbungselement auf das Anle gen und Wegnehmen einer Spannung über die Elektroden 9a und 9b hin in der Ebene liegenden Verformungen unterworfen. Die andere Anordnung ist bei diesem Ausführungsbeispiel dieselbe wie beim Ausführungsbeispiel 1. Darüber hinaus ist das Ansteuerungsprinzip dasselbe wie beim Ausführungsbeispiel 1.

Hierbei ist, wenn die Länge des piezoelektrischen Materials mit l angenom men wird, das Verformungsausmaß δ des piezoelektrischen Materials innerhalb seiner Ebene durch die folgende Gleichung repräsentiert:
δ = d₃₁ · V · 1/h,
mit: d₃₁: Piezoelektrizitätskonstante,
V: Spannung und
h: Dicke des piezoelektrischen Materials.

Die vorstehend angegebene Gleichung zeigt, daß die zum Verformen des pie zoelektrischen Materials anzulegende Spannung um so kleiner ist, je gering er die Dicke des piezoelektrischen Materials ist, d. h. je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden 9a und 9b ist. Daher ist es möglich, den Energieverbrauch zu verringern, wenn das Aufwölbungselement 1 unter Verwen dung von Schichten piezoelektrischen Materials hergestellt wird, die je weils als dünne Schicht ausgebildet sind, so daß der Abstand zwischen den Elektroden 9a und 9b verkürzt ist.

Außerdem kann der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Schicht aufbau des Aufwölbungselements 1 auch bei den vorstehend angegebenen Aus führungsbeispielen 2 bis 4 verwendet werden. Dabei werden dieselben Effekte erzielt, wie sie zuvor beschrieben wurden.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 6

Unter Bezugnahme auf die Fig. 13(a) bis 13(c) sowie die Fig. 14(a) bis 14(c) erörtert die folgende Beschreibung weitere Ausführungsbeispiele er findungsgemäßer Tintenstrahlköpfe 60 bzw. 70. Hierbei sind diejenigen Ele mente, die dieselben Funktionen wie die entsprechenden bei den Ausführungs beispielen 1 bis 5 verwendeten Elemente aufweisen, mit denselben Bezugszah len versehen, und eine zugehörige Beschreibung wird weggelassen.

Fig. 13(a) ist eine Draufsicht auf den Tintenstrahlkopf 60 des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Die Fig. 13(b) und 13(c) sind Schnittansichten des Tintenstrahlkopfs 60. Ein Aufwölbungselement 1′, wie es im Tintenstrahlkopf 60 des vorliegenden Ausführungsbeispiels enthalten ist, ist so konzipiert, daß es elliptische Form aufweist. Ferner wird dieses Aufwölbungselement 1′ beim Anlegen und Wegnehmen einer Spannung über Elektroden 9a und 9b, die wiederum so angebracht sind, daß sie das Aufwölbungselement 1′ einbetten, Aufwölbungsverformungen unterworfen. Die andere Anordnung und das Ansteue rungsprinzip stimmen mit dem beim Ausführungsbeispiel 1 überein. Daher können auch dann, wenn das Aufwölbungselement 1′ elliptische Form aufweist, dieselben Effekte wie beim Ausführungsbeispiel 1 erzielt werden.

Wenn jedoch dieses Aufwölbungselement 1′ mit elliptischer Form verwendet wird, existieren keine Ecken, in denen sich bei Aufwölbungsverformung Span nungen konzentrieren, was unterschiedlich zum Fall beim Aufwölbungselement 1 mit Rechteckform ist. Daher ermöglicht es diese Anordnung, Ermüdungen im Aufwölbungselement 1′ zu verringern und demgemäß einen Tintenstrahlkopf mit langer Lebensdauer zu schaffen.

Ferner sorgt, wenn das Aufwölbungselement 1′ mit elliptischer Form und das Aufwölbungselement 1 mit Rechteckform verglichen werden, das erstere beim selben Energieverbrauch für eine größere Ausstoßkraft und eine größere Ausstoßgeschwindigkeit, da bei Aufwölbungsverformungen keine Spannungskon zentration in der Nähe von Ecken vorliegt.

Darüber hinaus ist Fig. 14(a) eine Draufsicht auf den Tintenstrahlkopf 70 mit einem Aufwölbungselement 1′, dessen Form näher an einer exakt runden Form liegt, als dies beim vorstehend angegebenen Aufwölbungselement 1′ der Fall ist. Die Fig. 14(b) und 14(c) sind Schnittansichten des Tintenstrahl kopfs 70. Da das Ansteuerungsprinzip dasselbe wie beim vorigen Ausführungs beispiel ist, wird die zugehörige Beschreibung weggelassen.

Da das Aufwölbungselement 1′ rund ist, sind Spannungskonzentrationen bei Aufwölbungsverformungen sicher verhindert. Daher sind in diesem Fall die vorstehend angegebenen Wirkungen weiter verbessert. So ist die runde Form die geeignetste Form für das Aufwölbungselement 1′.

Elliptische oder runde Aufwölbungselemente 1′ sind auch bei den Ausfüh rungsbeispielen 2 bis 5 verwendbar. Auch dann werden dieselben Wirkungen erzielt, wie sie betreffend das eben angegebene Ausführungsbeispiel be schrieben sind.

Claims

1. Tintenstrahlkopf (10, 20, 30, 40, 50, 60) mit:

- einem Behälter (4) mit einer Tintenausstoßöffnung (7a) in einem Wandabschnitt;
- einer Aufbaukomponente (1, 1′) mit Randkanten, die an min destens zwei entgegengesetzten Enden an Wandflächen inner halb des Behälters befestigt sind und die das Innere des Be hälters fluiddicht unterteilt und sich verformen kann; und
- einer Spannungsanlegeeinrichtung (9) zum Anlegen einer Spannung an die Aufbaukomponente;

dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbaukomponente aus piezo elektrischem Material besteht und sie auf eine durch die Spannungsanlegeeinrichtung angelegte Spannung hin ihre Form ändert, um Tinte aus der Tintenausstoßöffnung auszustoßen.

2. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Aufbaukomponente (1, 1′) beim Anlegen einer Spannung durch die Spannungsanlegeeinrichtung (9) einer Auf wölbungsverformung unterworfen wird, um Tinte aus der Tin tenausstoßöffnung auszustoßen.

3. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Aufbaukomponente (1, 1′) beim Wegnehmen einer Spannung durch die Spannungsanlegeeinrichtung (9) einer Auf wölbungsverformung unterworfen wird, um Tinte aus der Tin tenausstoßöffnung auszustoßen.

4. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Aufbaukomponente (1, 1′) auf das Anlegen einer Spannung durch die Spannungsanlegeeinrichtung (9) hin einer Positionsänderung von einem verformten in einen unverformten Zustand unterworfen wird, so daß Tinte aus der Tintenaus stoßöffnung (7a) ausgestoßen wird.

5. Tintenstrahlkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbaukomponente (1, 1′) aus mehreren Schichten besteht, wobei jede Schicht von einem Paar Elektroden (9a, 9b) eingebettet wird, die Spannung an die Aufbaukomponente anlegen.

6. Tintenstrahlkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mehrkopfaufbau mit mehreren Tin tenspeicherkammern und mehreren Tintenausstoßöffnungen.

7. Tintenstrahlkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbaukomponente (1′) el liptische Form hat.

8. Tintenstrahlkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Aufbaukomponente (1′) runde Form aufweist.

9. Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahlkopfs mit den folgenden Schritten:

- Herstellen einer Aufbaukomponente (41) als Film auf einem Substrat (42);
- Vornehmen einer Temperaturänderung, bis die Zugspannungen in der Aufbaukomponente die Elastizitätsgrenze überschritten haben; und
- Ätzen des Substrats, während in der Aufbaukomponente noch interne Druckspannungen existieren.